®¹i häc quèc gia hµ néi
trêng ®¹i häc khoa häc tù nhiªn
----------------------------------------
nguyÔn híng ®iÒn (chñ biªn) - T¹ v¨n ®a
khÝ tîng radar
Hµ Néi - 2007
lêi nãi ®Çu
Gi¸o tr×nh KhÝ tîng radar ra ®êi nh»m ®¸p øng nhu cÇu gi¶ng d¹y m«n häc
cïng tªn ë trêng §¹i Häc Khoa Häc Tù Nhiªn, §¹i Häc Quèc Gia Hµ Néi.
Toµn bé gi¸o tr×nh gåm 5 ch¬ng. Bèn ch¬ng ®Çu bao hµm nh÷ng kiÕn thøc c¬
së vÒ khÝ tîng radar. Ch¬ng cuèi ®a ra mét sè ¶nh hiÓn thÞ radar mµ chóng t«i
thu thËp ®îc cïng nh÷ng ph©n tÝch vÒ chóng nh phÇn thùc hµnh ph©n tÝch ¶nh
dùa trªn nh÷ng kiÕn thøc lÝ thuyÕt ®· häc. Ch¬ng nµy lµ phÇn më cña gi¸o tr×nh,
tøc cã thÓ ®îc thay ®æi, bæ sung theo ý ngêi d¹y. C¸c ¶nh trong ch¬ng nµy ®Òu
lµ ¶nh mµu cho nªn, ®Ó thuËn lîi cho viÖc in Ên, ®îc ghi trªn ®Üa CD ®i kÌm víi
gi¸o tr×nh. Ch¬ng 3 do TS. T¹ V¨n §a viÕt b¶n th¶o, c¸c ch¬ng cßn l¹i do PGS.
TS. NguyÔn Híng §iÒn viÕt. ViÖc söa ch÷a vµ biªn tËp l¹i còng do PGS. TS.
NguyÔn Híng §iÒn ®¶m nhiÖm. Tuy nhiªn, trong qu¸ tr×nh biªn so¹n, gi÷a c¸c t¸c
gi¶ lu«n cã sù bµn b¹c, gãp ý vµ cung cÊp thªm t liÖu cho nhau. Mét sè h×nh ¶nh
sö dông trong gi¸o tr×nh do TS. T¹ V¨n §a su tÇm hoÆc thu thËp tõ c¸c tr¹m
radar thêi tiÕt ë ViÖt Nam.
Gi¸o tr×nh còng cã thÓ dïng lµm tµi liÖu tham kh¶o cho c¸c häc viªn cao häc
hoÆc nghiªn cøu sinh vµ nh÷ng ai muèn t×m hiÓu vÒ khÝ tîng radar.
Khi biªn so¹n gi¸o tr×nh, chóng t«i ®· cè g¾ng tr×nh bµy theo ph¬ng ch©m “c¬
b¶n, hiÖn ®¹i, ViÖt Nam”.
Gi¸o tr×nh còng ®· qua mét sè vßng gi¶ng d¹y, rót kinh nghiÖm vµ bæ sung. §Ó
hoµn thµnh gi¸o tr×nh, chóng t«i ®· nhËn ®îc sù hç trî cña trêng §¹i häc Khoa
häc Tù nhiªn, §¹i häc Quèc gia Hµ Néi, sù gióp ®ì quÝ b¸u cña c¸c b¹n ®ång nghiÖp
trong trêng vµ ë §µi KhÝ tîng Cao kh«ng thuéc Trung t©m KhÝ tîng Thuû v¨n
Quèc gia, Bé Tµi nguyªn vµ M«i trêng, ®Æc biÖt lµ TS. NguyÔn ThÞ T©n Thanh, TS.
TrÇn Duy S¬n ®· cung cÊp nhiÒu h×nh ¶nh vµ tµi liÖu ®Ó chóng t«i cã thÓ hoµn
thµnh gi¸o tr×nh nµy. Chóng t«i xin ch©n thµnh c¶m ¬n.
Gi¸o tr×nh kh«ng tr¸nh khái cßn nhiÒu khiÕm khuyÕt, do vËy chóng t«i rÊt
mong nhËn ®îc c¸c ý kiÕn ®ãng gãp cña c¸c b¹n ®äc.
C¸c t¸c gi¶
Môc lôc
lêi nãi ®Çu.........................................................................................................................2
Môc lôc...............................................................................................................................3
Ch¬ng 1.............................................................................................................................5
Radar thêi tiÕt vµ nguyªn lÝ ®o cêng ®é ph¶n håi v« tuyÕn............5
1.1. Sãng ®iÖn tõ vµ sù lan truyÒn sãng ®iÖn tõ trong kh«ng gian .............................5
1.2. Radar vµ øng dông cña nã trong ®êi sèng ...........................................................11
1.3. Giíi thiÖu vÒ cÊu t¹o vµ c¸c th«ng sè kÜ thuËt cña radar thêi tiÕt.....................12
1.4. ThÓ tÝch xung vµ mËt ®é n¨ng lîng sãng trong xung ph¸t...............................20
1.5. C¸c kiÓu ph¶n håi..................................................................................................22
1.6. Môc tiªu khÝ tîng ................................................................................................22
1.7. Ph¬ng tr×nh radar ®èi víi môc tiªu ®iÓm vµ môc tiªu khÝ tîng trong m«i
trêng kh«ng hÊp thô vµ t¸n x¹ sãng ®iÖn tõ................................................................24
1.8. Ph¬ng tr×nh radar Probert-Jones.......................................................................28
1.9. Ph¬ng tr×nh radar ®¬n gi¶n. §é suy yÕu vµ ®é truyÒn qua..............................29
1.10. §¬n vÞ ®o ®é ph¶n håi v« tuyÕn vµ c«ng suÊt...................................................31
1.11. C¸c yÕu tè ¶nh hëng ®Õn c«ng suÊt sãng thu.................................................33
1.12. Quan hÖ gi÷a tÇn sè lÆp cña xung vµ kho¶ng c¸ch quan tr¾c ®óng tèi ®a....36
1.13. HiÖn tîng “kho¶ng c¸ch ¶o” ............................................................................37
1.14. HiÖu øng bóp sãng phô......................................................................................40
1.15. Khóc x¹ tia quÐt cña radar vµ hiÖn tîng líp dÉn sãng .................................41
1.16. Ph¬ng tr×nh quÜ ®¹o sãng................................................................................42
1.17. Sai sè kho¶ng c¸ch vµ ®é ph©n gi¶i vÒ kho¶ng c¸ch .......................................45
1.18. Sai sè vÒ gãc híng vµ ®é ph©n gi¶i theo gãc híng .......................................46
1.19. D¶i s¸ng..............................................................................................................48
Ch¬ng 2...........................................................................................................................52
ph©n tÝch Giã Doppler vµ mét sè s¶n phÈm cña radar Doppler .......52
2.1. Giíi thiÖu chung ....................................................................................................52
2.2. Nguyªn lÝ ®o tèc ®é giã b»ng radar Doppler ........................................................52
2.3. §é réng phæ Doppler..............................................................................................56
2.4. Tèc ®é ¶o.................................................................................................................60
2.5. D÷ liÖu Doppler ë kho¶ng c¸ch ¶o. NhËn biÕt vµ xö lÝnh hëng cña d÷ liÖu ë
kho¶ng c¸ch ¶o..................................................................................................................62
2.6. Gi¶i quyÕt t×nh thÕ “tiÕn tho¸i lìng nan” cña radar Doppler...........................64
2.7. Më réng giíi h¹n ®o chÝnh x¸c tèc ®é vµ kho¶ng c¸ch ........................................65
2.8. X¸c ®Þnh híng vµ tèc ®é giã ................................................................................69
2.9. X¸c ®Þnh vïng xo¸y, ph©n k× vµ héi tô cña giã....................................................74
2.10. QuÐt khèi vµ c¸c s¶n phÈm c¬ b¶n cña radar Doppler....................................77
2.11. C¸c s¶n phÈm dÉn xuÊt cña phÇn mÒm EDGETM...........................................78
Ch¬ng 3...........................................................................................................................93
¦íc lîng ma b»ng radar thêi tiÕt ..............................................................93
3.1. Mét sè kiÕn thøc c¬ b¶n vÒ ma ...........................................................................93
3.2. Sö dông radar ®Ó ph¸t hiÖn ma .........................................................................99
3.3. Sö dông radar ®Ó íc lîng ma........................................................................100
3.4. Dù ®o¸n ma ®¸ b»ng radar cã hai bíc sãng...................................................106
3.5. C¸c nguyªn nh©n g©y ra sai sè khi íc lîng ma...........................................107
3.6. BiÕn ®æi cña profile ®é phn håi theo kho¶ng c¸ch...........................................111
3.7. HiÖu chØnh íc lîng ma b»ng radar theo sè liÖu ®o ma ë mÆt ®Êt............113
Ch¬ng 4.........................................................................................................................117
nhËn biÕt môc tiªu khÝ tîng b»ng radar thêi tiÕt............................117
4.1. NhËn biÕt c¸c lo¹i m©y qua ®é ph¶n håi v« tuyÕn cña radar ...........................117
4.2. NhËn biÕt hiÖn tîng ®øt th¼ng ®øng cña giã qua sè liÖu cña radar kh«ng
Doppler............................................................................................................................121
4.3. NhËn biÕt c¸c hiÖn tîng thêi tiÕt nguy hiÓm liªn quan ®Õn m©y ®èi lu m¹nh
(d«ng, tè, lèc, vßi rång) ...................................................................................................122
4.4. NhËn biÕt b·o.......................................................................................................131
Ch¬ng 5.......................................................Error! Bookmark not defined.
ph©n tÝch ¶NH HIÓN THÞ RA§A.............Error! Bookmark not defined.
5.1. Ph©n tÝch ¶nh m« pháng hiÓn thÞ tèc ®é giã Doppler......Error! Bookmark not
defined.
5.2. Giíi thiÖu c¸c s¶n phÈm cña radar Doppler... Error! Bookmark not defined.
5.3. nh hiÓn thÞ m©y vµ ma ®èi lu cña radar ë Nha Trang....Error! Bookmark
not defined.
5.4. nh hiÓn thÞ c¸c trêng hîp x¶y ra vµo ®Çu mïa hÌ ë Guam....................Error!
Bookmark not defined.
5.5. H×nh thÕ giã biÓn.............................................. Error! Bookmark not defined.
5.6. Sù bïng ph¸t cña giã mïa t©y-nam ................ Error! Bookmark not defined.
5.7. Ph©n tÝch mÆt c¾t tèc ®é giã............................. Error! Bookmark not defined.
5.8. Ph©n tÝch c¸c s¶n phÈm ETOP vµ VIL ........... Error! Bookmark not defined.
5.9. Sù tan r· ®èi lu diÖn réng.............................. Error! Bookmark not defined.
5.10. nh ph¶n håi tõ biÓn.................................... Error! Bookmark not defined.
5.11. Xo¸y thuËn nhiÖt ®íi .................................... Error! Bookmark not defined.
5.12. B·o nhiÖt ®íi ................................................. Error! Bookmark not defined.
5.13. Lèc vµ vßi rång .............................................. Error! Bookmark not defined.
5.14. Front .............................................................. Error! Bookmark not defined.
Tµi liÖu tham kh¶o.................................Error! Bookmark not defined.
Ch¬ng 1
Radar thêi tiÕt vµ nguyªn lÝ ®o cêng ®é ph¶n
håi v« tuyÕn
1.1. Sãng ®iÖn tõ vµ sù lan truyÒn sãng ®iÖn tõ trong kh«ng
gian
1.1.1. Dao ®éng ®iÖn tõ vµ sãng ®iÖn tõ
Chóng ta ®· cã kh¸i niÖm vÒ trêng ®iÖn tõ. Muèn tõ ®ã ®i ®Õn kh¸i niÖm vÒ
sãng ®iÖn tõ cÇn ph¶i th«ng qua kh¸i niÖm vÒ dao ®éng ®iÖn tõ.
Ta cã mét m¹ch ®iÖn gåm tô C vµ cuén d©y L nèi víi nhau (h×nh 1.1). Ta tÝch
®iÖn cho tô C, gi÷a hai b¶n cña tô ®iÖn sÏ cã ®iÖn trêng. ë ngoµi tô ®iÖn kh«ng cã
®iÖn trêng do t¸c dông triÖt tiªu lÉn nhau cña c¸c ®iÖn tÝch tr¸i dÊu ë hai b¶n.
Cuén d©y L do nh÷ng vßng d©y dÉn ®iÖn hîp thµnh. Nã cã tÝnh chÊt lµ, khi cã dßng
®iÖn ®i qua, sÏ t¹o nªn mét tõ trêng tËp trung trong lâi cuén d©y vµ lan ra ngoµi
rÊt Ýt. Khi nèi c«ng t¾c K, tô C phãng ®iÖn, ®iÖn tÝch sÏ chuyÓn ®éng qua cuén d©y L
vµ t¹o thµnh tõ trêng trong lâi cuén d©y. Tõ trêng nµy ®¹t gi¸ trÞ cùc ®¹i khi
toµn bé ®iÖn tÝch rêi khái tô ®iÖn, nghÜa lµ ®iÖn trêng gi÷a c¸c b¶n cña tô ®iÖn
trªn triÖt tiªu. Do chuyÓn dÞch cña dßng ®iÖn, hai b¶n cña tô ®iÖn C l¹i tÝch ®iÖn,
nhng tr¸i dÊu, cho ®Õn khi ®iÖn trêng gi÷a hai b¶n cña tô C ®¹t cùc ®¹i, cßn tõ
trêng trong cuén d©y triÖt tiªu. Sau ®ã tô C l¹i phãng ®iÖn, c¸c ®iÖn tÝch l¹i tiÕp
tôc chuyÓn ®éng theo chiÒu ngîc l¹i. §Õn ®©y ta thÊy r»ng hiÖn tîng trao ®æi
gi÷a ®iÖn trêng (cña tô) vµ tõ trêng (cña cuén d©y) còng gièng nh hiÖn tîng
trao ®æi gi÷a thÕ n¨ng vµ ®éng n¨ng cña con l¾c. Dßng ®iÖn ch¹y trong m¹ch, nÕu
gi¶ thiÕt kh«ng cã tæn hao, sÏ biÕn thiªn theo thêi gian gièng h×nh 1.2 vµ tiÕp tôc
nh thÕ m·i m·i. T¬ng øng víi dßng ®iÖn, ®iÖn trêng trong tô vµ tõ trêng trong
cuén d©y còng biÕn thiªn nh vËy. §ã lµ dao ®éng ®iÖn tõ, m¹ch LC gäi lµ m¹ch
dao ®éng. Trong kho¶ng kh«ng gian gi÷a hai b¶n tô ®iÖn cã mét ®iÖn trêng biÕn
®æi tuÇn hoµn vµ theo lÝ thuyÕt th× ®iÖn trêng biÕn ®æi t¹i mét ®iÓm sÏ t¹o ra mét
tõ trêng biÕn ®æi t¹i ®iÓm ®ã vµ vïng l©n cËn, tõ trêng biÕn ®æi ®Õn lît nã l¹i
t¹o ra ®iÖn trêng biÕn ®æi ë vïng l©n cËn. Cø nh vËy, ®iÖn trêng vµ tõ trêng
biÕn ®æi qua l¹i vµ lan réng dÇn trong kh«ng gian tõ b¶n tô nµy sang b¶n tô kia.
§ã chÝnh lµ sãng ®iÖn tõ.